DE3714504A1 - Verfahren zum bearbeiten von materialien mit laserstrahlen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bearbeiten von Materialien
mit Laserstrahlen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1
und 5.
Der Strahlung im Infrarot-Bereich (IR) emittierende CO2-Laser
hat sich in vielen Anwendungsbereichen als vorteilhaftes In
strument zum Schneiden und Schweißen von verschiedensten metal
lischen und auch nichtmetallischen Werkstoffen bewährt.
Einige Materialien haben sich aufgrund ihrer Absorptionseigen
schaften und ihrer Wärmeleitung aber der Bearbeitung durch CO2-
Laser entzogen. Dies gilt insbesondere für Edelmetalle wie
Kupfer, Silber oder Gold, deren Oberfläche die IR-Strahlung des
CO2-Lasers wesentlich stärker reflektiert als beispielsweise
gut bearbeitbare Stähle. Die Absorption der IR-Laserstrahlung
in den genannten Edelmetallen ist zu schwach, um brauchbare
Schneid- und Schweißergebnisse zu ermöglichen.
Die Absorption der Strahlung im zu bearbeitenden Metall läßt
sich in erster Näherung in zwei Stufen aufteilen:
In der ersten Stufe koppelt der Laserstrahl mit der Metallober fläche. Bei dieser Koppelung wird aus dem Strahlungsfeld Ener gie von den Leitungselektronen des Metalls und/oder den Gitter schwingungen aufgenommen, so daß eine lokale Erhitzung erfolgt. Diese Koppelung in der ersten Stufe hängt im wesentlichen von der Leistungsdichte der Laserstrahlung sowie den Oberflächen eigenschaften des Metalls ab.
In der ersten Stufe koppelt der Laserstrahl mit der Metallober fläche. Bei dieser Koppelung wird aus dem Strahlungsfeld Ener gie von den Leitungselektronen des Metalls und/oder den Gitter schwingungen aufgenommen, so daß eine lokale Erhitzung erfolgt. Diese Koppelung in der ersten Stufe hängt im wesentlichen von der Leistungsdichte der Laserstrahlung sowie den Oberflächen eigenschaften des Metalls ab.
In der zweiten Stufe wird die aus dem Strahlungsfeld in die
Metalloberfläche übergegangene Energie durch Wärmeleitung in
das Innere des Materials verteilt.
Kupfer (und andere Edelmetalle) hat bezüglich beider Stufen
Eigenschaften, die ein Schneiden und Schweißen mit CO2-Laser
strahlung bisher weitgehend verhindert haben. Zum einen ist der
Absorptionskoeffizient bei der CO2-Laserwellenlänge von 10,6 µm
sehr gering, so daß der Wirkungsgrad der Energieübertragung in
der ersten Stufe sehr schlecht ist, und zum anderen ist die
Wärmeleitung in Kupfer bei Raumtemperatur sehr groß, so daß in
der zweiten Stufe eine schnelle Abfuhr der Energie aus dem
Koppelungsbereich an der Oberfläche stattfindet, wodurch eben
falls der Schweiß- oder Schneidvorgang behindert wird.
In der Zeitschrift "LASERS & APPLICATIONS", März 1986, S.
59-64, wird ein Verfahren zum Schneiden von Kupferscheiben mit
CO2-Laserstrahlung beschrieben. Das bekannte Verfahren zeigte
aber bisher nur bei deoxidiertem, stark phosphorhaltigem Kupfer
brauchbare Ergebnisse. Derartiges Kupfer hat aber im Vergleich
zu anderen Kupferarten eine sehr geringe thermische Leitfähig
keit und auch der Absorptionskoeffizient ist wesentlich günsti
ger als bei anderen Kupferarten. Überdies ist das bekannte Ver
fahren hinsichtlich der Schweiß- und Schneidleistung begrenzt
und verlangt die Einhaltung sehr spezifischer Prozeßparameter.
In dem Buch "LASER/OPTOELEKTRONIK IN DER TECHNIK", Herausgeber:
W. Waidelich, Springer-Verlag 1986, S. 480-485, werden Modelle
zum Verständnis der bei der Wechselwirkung intensiver IR-Laser
strahlung mit Metalloberflächen auftretenden Phänomene entwic
kelt. Es wird dort erläutert, daß sich dann im Wechselwirkungs
bereich zwischen Strahlung und Festkörper ein Plasma bilden
kann, wenn die in der oben erwähnten ersten Stufe im Metall ab
sorbierte Energie größer ist als die in der zweiten Stufe er
folgende Wärmeabfuhr. Im Bereich des derart erzeugten Plasmas
verliert die Metalloberfläche ihre nachteiligen Reflexions
eigenschaften und der Energieübergang aus dem Strahlungsfeld in
das Metall wird verbessert. Dabei darf allerdings das Plasma
nicht so dicht werden, daß es den Großteil der Strahlungsener
gie des Lasers bereits absorbiert, bevor dieser zum darunter
liegenden Metall durchdringen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
kostengünstigen, wirksamen Bearbeiten von im IR-Bereich stark
reflektierenden Metallen, wie Kupfer, Silber oder Gold, mittels
IR-Laserstrahlung zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan
spruch 1 gekennzeichnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 be
schrieben.
Der Erfindungsgedanke, nämlich für den eigentlichen "Arbeits
strahl" (also den CO2-Laserstrahl) noch einen "Hilfsstrahl"
vorzusehen, läßt sich nicht nur bei der Bearbeitung von im
IR-Bereich reflektierenden Metallen vorteilhaft anwenden, son
dern auch beim Bearbeiten von Kunststoffen und biologischem
Gewebe, wie Acrylglas (auch Plexiglas genannt) bzw. Augenhorn
haut (cornea).
Für den Materialabtrag mittels Laserstrahlung bei Kunststoffen
oder biologischem Gewebe ist besonders die Wellenlänge 193 nm
(ArF) des Excimerlasers geeignet, siehe den Aufsatz von
R. Srinivasan in der Zeitschrift "Journal Vac. Sci. Technol." B
1(4), Oct.-Dec. 1983, S. 923-926. Nur die Excimer-Laserstrah
lung der Wellenlänge 193 nm wird von den in Rede stehenden
Materialien gut absorbiert, um einen befriedigenden Materialab
trag zu ermöglichen. Die anderen vom Excimer-Laser emittierten
Wellenlängen sind weniger geeignet.
Allerdings hat die Laserstrahlung der Wellenlänge 193 nm gegen
über den anderen Wellenlängen erhebliche Nachteile. Zum einen
ist die Emission des Excimer-Lasers bei 193 nm wesentlich ge
ringer als bei anderen Wellenlängen wie z.B. bei 308 nm (XeCl)
und zum anderen hat ein Laserstrahl der Wellenlänge 193 nm den
Nachteil, daß diese Strahlung im Sauerstoff der Luft absorbiert
wird und daß die optischen Komponenten zur Strahlsteuerung aus
Quarzglas oder noch teurerem Material gefertigt sein müssen.
Der Erfindung liegt deshalb weiterhin die Aufgabe zugrunde,
auch ein Verfahren zum Bearbeiten von Kunststoffen oder biolo
gischem Gewebe mittels Laserstrahlung anzugeben, welches im
Vergleich mit dem Stand der Technik wirksamer und kostengünsti
ger ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan
spruch 5 gekennzeichnet.
In den Patentansprüchen 6 und 7 sind vorteilhafte Ausgestal
tungen beschrieben.
Gemäß der Erfindung wird also der relativ leistungsschwache
Laserstrahl mit 193 nm Wellenlänge zunächst als "Hilfsstrahl"
auf das zu bearbeitende Material gerichtet, um dieses derart zu
modifizieren, daß seine Absorptionseigenschaften bezüglich an
derer Wellenlängen verbessert werden. Beispielsweise führt die
Absorption der Strahlung von 193 nm zur Bildung von Farbzentren
im Material, welche die Absorption bei einer längeren Wellen
länge von z.B. 308 nm (XeCl) ermöglichen oder verbessern.
Alle Lösungsvarianten der Erfindung sind bezüglich beider je
weils eingesetzten Laserstrahlen sowohl für gepulste als auch
für kontinuierliche Lasertypen geeignet. Bei zwei gepulsten
Strahlquellen müssen beide zeitlich (und selbstverständlich
auch räumlich) koordiniert werden.
Wird ein gepulster Laserstrahl als "Hilfsstrahl" zusammen mit
einem kontinuierlichen "Arbeitsstrahl" eingesetzt, so ist der
Zeitpunkt des Auftreffens des gepulsten Strahles auf das
Material jeweils maßgeblich für den Beginn der Materialbear
beitung.
Werden zwei kontinuierliche Strahlquellen eingesetzt, so kommt
es nur auf die räumliche Koordination an.
Anhand einer schematischen Zeichnung soll die Erfindung näher
erläutert werden.
Die Figur zeigt ein Material, das mittels Laserstrahlung bear
beitet werden soll.
Bei dem Material kann es sich um ein Edelmetall, wie Kupfer,
Silber oder Gold handeln, welches geschweißt oder geschnitten
werden soll. In diesem Falle wird ein erster Laserstrahl L 1 auf
die Oberfläche des zu bearbeitenden Materials fokussiert (Fokus
F). Beim ersten Laserstrahl L 1 handelt es sich um einen Exci
mer-Laserstrahl, wobei alle bekannten Excimerlaser-Wellenlängen
gut geeignet sind, also z.B. 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm
(XeCl) und 351 nm (XeF). Die Oberfläche des Edelmetalls absor
biert hinreichend UV-Strahlung, um die Oberfläche so zu ändern,
daß ihre Absorption bezüglich des IR-Laserstrahls L 2 verbessert
wird. Mittels des "Hilfs-Strahls" L 1 wird also die Oberfläche
des Materials so präpariert, daß der IR-Strahl L 2 eines CO2-La
sers mit hohem Wirkungsgrad in das Material eingekoppelt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann also der
erste Laserstrahl L 1 in Form eines UV-Laserblitzes als Ini
tiator für die Einkoppelung der z.B. kontinuierlichen IR-La
serstrahlung angesehen werden.
Auch die zweite Variante der Erfindung, nämlich die Bearbeitung
von Kunststoffen oder biologischem Gewebe soll anhand der glei
chen Figur erläutert werden. In diesem Falle handelt es sich
bei dem Material nicht um ein Edelmetall, sondern um einen
Kunststoff, wie z.B. Acrylglas, oder ein biologisches Gewebe,
wie z.B. die Augenhornhaut.
Der erste, das Material präparierende Laserstrahl L 1 ist bei
diesem Ausführungsbeispiel ein Excimer-Laserstrahl der Wellen
länge 193 nm (ArF), welcher im Material gut absorbiert wird.
Beim zweiten Laserstrahl L 2 handelt es sich um einen Excimer-
Laserstrahl anderer Wellenlänge, z.B. bei 308 nm (XeCl), wel
cher bei Abwesenheit des Laserstrahls L 1 vom Material nicht
oder nur mit sehr geringem Wirkungsgrad absorbiert wird.
Der Laserstrahl der Wellenlänge 193 nm präpariert das Material
derart, daß die Absorption des Materials beim wesentlich lei
stungsstärken Laserstrahl mit geringerer Wellenlänge ermöglicht
oder verbessert wird.
Claims (7)
1. Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere zum Schweißen
oder Schneiden, von solchen Metallen, deren Oberfläche IR-La
serstrahlung stark reflektiert, wie Kupfer, Silber oder Gold,
unter Verwendung eines IR-Laserstrahles,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zum IR-Laserstrahl zumindest ein weiterer Laser
strahl anderer Wellenlänge auf die zu bearbeitende Metallober
oberfläche gerichtet wird, welcher die Absorption der IR-Laser
strahlen im Metall erhöht.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Laserstrahl eine Wellenlänge im UV-Bereich hat,
bevorzugt eine oder mehrere der Excimerlaser-Wellenlängen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Laserstrahl gepulst ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß auch der IR-Laserstrahl gepulst ist, wobei der weitere
Laserstrahl zeitlich und räumlich derart auf den IR-Laserstrahl
abgestimmt ist, daß die Einkoppelung des IR-Laserstrahles in
das Metall gefördert wird.
5. Verfahren zum Bearbeiten von Kunststoffen oder Gewebe,
wie Acrylglas bzw. Augenhornhaut, unter Verwendung eines vom
nicht modifizierten Kunststoff bzw. Gewebe gut absorbierbaren
Laserstrahls, wie eines Excimer-Laserstrahls der Wellenlänge
193 nm (ArF),
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zum gut absorbierbaren Laserstrahl zumindest ein
weiterer Laserstrahl anderer Wellenlänge auf den zu bearbeiten
den Kunststoff bzw. das Gewebe gerichtet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Laserstrahl ein Excimer-Laserstrahl ist, bevor
zugt einschließlich der Wellenlänge 308 nm (XeCl).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gut absorbierbare Laserstrahl und der weitere Laser
strahl als gepulste Strahlen zeitlich und räumlich derart auf
einander abgestimmt werden, daß die Einkoppelung des weiteren
Laserstrahls in der Kunststoff bzw. das Gewebe durch den gut
absorbierbaren Laserstrahl gefördert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873714504 DE3714504A1 (de) | 1987-04-30 | 1987-04-30 | Verfahren zum bearbeiten von materialien mit laserstrahlen |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3714504A1 true DE3714504A1 (de) | 1988-11-10 |
Family
ID=6326626
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873714504 Withdrawn DE3714504A1 (de) | 1987-04-30 | 1987-04-30 | Verfahren zum bearbeiten von materialien mit laserstrahlen |
Country Status (1)
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